中國科學(xué)家成功打造最小、最輕的微型太陽能無人機

NATURE

中國科學(xué)家成功打造了最小、最輕的太陽能飛行器。它足夠小到可以放在人的手掌里，重量不到一枚美國鎳幣，在陽光照射下可以無限期飛行。

微型飛行器（MAV）是昆蟲和鳥類大小的飛機，可能被證明對偵察和其他可能的應(yīng)用有用。然而，MAV目前面臨的一個主要問題是它們的飛行時間有限，通常約為30分鐘。超輕型MAV——重量小于10克的MAV——通常只能在空中停留不到10分鐘。

讓MAV飛行更長時間的一種潛在方法是用陽光等穩(wěn)定的能源為它們供電?，F(xiàn)在，在一項新的研究中，研究人員開發(fā)了他們所說的第一架能夠持續(xù)飛行的太陽能MAV。

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新型超輕型MAV CoulombFly只有4.21克，翼展為20厘米。這大約是以前最小的太陽能飛行器的十分之一大小，重量更是只有前者的1/600，這是一架2米寬、2.6公斤重的四軸飛行器（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pip.3169）。

北京航空航天大學(xué)能源與動力工程教授Mingjing Qi說：“我的最終目標(biāo)是制造一種翼展不到1厘米、大小和重量與蚊子差不多的超小型飛行器?！?Qi和建造CoulombFly的科學(xué)家開發(fā)了這種飛行器的原型，其寬度為8毫米，質(zhì)量為9毫克，“但它還不能依靠自身動力飛行。我相信，隨著微電路技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以實現(xiàn)這一目標(biāo)” 。

以前的太陽能飛行器通常依賴于電磁電機，使用電磁鐵來產(chǎn)生運動（https://spectrum.ieee.org/200-years-ago-faraday-invented-the-electric-motor）。然而，太陽能飛行器越小，它收集陽光的表面積就越小，從而也就減少了它可以產(chǎn)生的能量。此外，隨著車輛尺寸的縮小，電磁電機的效率急劇下降。較小的電磁電機比較大的電機具有更大的摩擦，并且由于其組件的電阻而產(chǎn)生更大的能量損失。Qi和他的同事解釋說，這導(dǎo)致了低升程功率效率。

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CoulombFly采用靜電電機，利用靜電場產(chǎn)生運動。靜電電機通常用作微機電系統(tǒng)（MEMS，https://spectrum.ieee.org/nano-machine-shape-shifting）中的傳感器，而不是用于航空推進。盡管如此，科學(xué)家們使用的靜電電機質(zhì)量僅為1.52克，其功率效率是其他MAV電機的兩到三倍。

靜電電機外圍有兩個嵌套的環(huán)。內(nèi)環(huán)是一個旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，有64個板條，每個板條由覆蓋鋁箔的碳纖維板制成。外環(huán)裝有八對交替的正極板和負(fù)極板，每個板條也由粘合到鋁箔的碳纖維板制成。每個板的邊緣都有一個鋁制的刷子，可以接觸內(nèi)環(huán)的板條。

CoulombFly靜電馬達上方是與轉(zhuǎn)子相連的20厘米寬的螺旋槳，馬達下方是兩塊高功率密度的薄膜砷化鎵太陽能電池，每塊電池尺寸為4厘米×6厘米，質(zhì)量為0.48克，能量轉(zhuǎn)換效率超過30%。

自然光給CoulombFly的外環(huán)充電，其16個正/負(fù)極板產(chǎn)生電場。外環(huán)極板上的電刷接觸內(nèi)環(huán)，給轉(zhuǎn)子板條充電。外環(huán)極板的電場對帶電的轉(zhuǎn)子板條施加力，使內(nèi)環(huán)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

在自然陽光條件下的測試中（光照強度約為每平方米920瓦），CoulombFly在一秒鐘內(nèi)成功起飛，并持續(xù)飛行一小時，性能沒有任何下降。研究人員表示，太陽能MAV的潛在應(yīng)用可能包括長距離和長時間的空中偵察。

CoulombFly的推進系統(tǒng)可以產(chǎn)生高達5.8克的升力。Qi說，“這意味著除了自重4.21之外，它還可以支持大約1.59 g的額外有效載荷，這足以容納最小的可用傳感器、控制器、攝像頭等，以支持未來的自主操作。目前，在發(fā)動機、螺旋槳和電路等方面仍有很大的改進空間，因此我們認(rèn)為未來我們可以獲得高達4克的額外有效載荷。如果我們需要更多的有效載荷，我們可以改用四軸飛行器或固定翼設(shè)計，最多可以攜帶30克。”

Qi教授介紹，該飛行器還可以攜帶一個微型鋰離子電池。這意味著它可以儲存太陽能電池板的能量，即使在沒有太陽光的情況下也能飛行，從而實現(xiàn)24小時運行。北航研究團隊表示，他們的最終目標(biāo)是制造一種超小型飛行器，其大小和重量與蚊子差不多，翼展不到 1 厘米。

科學(xué)家們在7月17日的《自然》雜志上在線詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07609-4）。

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這篇文章將發(fā)布在2024年9月的印刷版上，標(biāo)題為“Tiny Solar-Powered Drone Flies Forever”。